CN106536127A - 加工头部和加工设备 - Google Patents
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Abstract
公开用于借助于激光射束进行表面加工的加工头部（1）。加工头部（1）包括带有纵轴线（A）的激光通过通道（2）、至少一个粉末输入通道（3）和用于冷却加工头部（1）的冷却通道（4）。加工头部（1）构造成至少两件式并且包括主体（5）和套筒（6）。套筒（6）适用于布置在主体（5）处。激光通过通道（2）和粉末输入通道（3）构造在主体（5）中。主体（5）至少部分地形成冷却通道（4）的第一侧面壁。套筒（6）至少部分地形成冷却通道（4）的第二侧面壁。
Description
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求的前序部分的用于借助于激光射束进行表面加工的加工头部和包括加工头部的加工设备。
背景技术
由现有技术已知，借助于激光堆焊方法将粉末施覆在结构部件上。为此，粉末尤其借助于加工头部运送至结构部件，其中，粉末被运送至熔斑，所述熔斑之前借助于激光来熔化。激光通常引导通过加工头部的激光通过通道并且以与加工头部的排出侧10mm至20mm的间距聚焦。此外，粉末通过至少一个粉末输入通道运送通过加工头部。在此，加工头部能够具有一个或多个粉末输入通道，其排放开口大多围绕激光射束的排出开口布置在加工头部的排出侧上；备选地，粉末输入通道能够构造为环间隙，所述环间隙围绕激光通过通道布置。
在执行激光堆焊方法期间会在一定情况下导致加工头部的强烈的加热，因为输入的激光功率的大约1/3至2/3被反射，其基本上碰到加工头部上。反射的份额在此取决于所使用的基本上基于波长的激光。例如得出如下结论，即在Nd：YAG激光、纤维激光、盘式激光或二极管激光的情况下通常大约功率的1/3被反射并且在CO2激光的情况下功率的直至2/3被反射。
由文件US7,259,353已知用于在激光堆焊时冷却加工头部的设备。在此提出，围绕加工头部地以尽可能大的体积布置有冷却外套，以便实现尽可能有效的冷却。
然而之前已知的现有技术具有如下缺点，即冷却功率不总是足够。此外，大体积的冷却外套显著增大加工头部，这在运行中会是不利的。此外，之前已知的运行头部尤其由于消耗的制造方法或由于高的材料消耗而会过于成本高昂；这此外是不利的，因为运行头部必须相当频繁地来更换。另一缺点是在一定情况下加工头部的面向待加工的结构部件的顶部的不充分的冷却。
在文件WO 95/20458 A1中描述用于借助于激光射束进行表面加工的加工头部，所述加工头部包括主体和用于布置在主体处的套筒。主体和套筒一起形成加工头部的冷却通道。加工头部此外还具有大量另外的结构元件。
发明内容
因此,本发明的任务尤其是，避免已知的缺点、也就是说尤其提供如下加工头部，其能够简单且成本有利地制造，其具有紧凑的结构方式并且在运行中保证高的冷却功率。
所述任务通过根据独立权利要求的加工头部和加工设备解决。
从属权利要求涉及本发明的优选的实施方式。
本发明涉及用于借助于激光射束进行表面加工的加工头部。加工头部包括带有纵轴线的激光通过通道、至少一个粉末输入通道和用于冷却加工头部的冷却通道。加工头部构造成至少两件式并且包括主体和套筒。套筒适用于布置在主体处。激光通过通道和粉末输入通道构造在主体中。主体至少部分地形成冷却通道的第一侧面壁。套筒至少部分地形成冷却通道的第二侧面壁。
这具有如下优点，即用于形成冷却通道的必要的凹口能够在套筒布置在主体处之前安置，这使得制造简单并且成本有利。此外，通过将激光通过通道和粉末输入通道布置在主体中实现，仅仅少的结构元件对于加工头部是必要的。此外，冷却通道能够无问题地如下来布置，使得能够保证充分冷却加工头部和尤其加工头部的顶部，因为通过冷却通道的在制造过程中简单的构造例如能够制造构造为迷宫（Labyrinth）的热交换器。凹口能够在此安置在主体和/或套筒中，其中，冷却通道在套筒布置在主体处之后由套筒形成。在此，在运行中，冷却介质如例如水运送通过冷却通道以用于导出热量。
冷却通道能够在此利用切削的方法如例如铣削方法形成。备选地，主体和/或带有冷却通道的套筒能够以成形的方法如例如压铸方法形成。
主体和套筒尤其在加工头部中的冷却通道的总长度的至少50%的、优选地至少75%的并且特别优选地至少90%的区段中形成第一侧面壁和第二侧面壁。
加工头部尤其仅仅具有唯一的激光通过通道。但也可行的是，所述加工头部具有多个激光通过通道。
加工头部的提及的主体尤其实施成一件式并且尤其由均匀的毛坯部件（例如由铜或铜合金制成的块）制成。
加工头部通常也称为粉末喷嘴。主体通常称为毂式主体（Nabenkörper）或喷嘴主体。
优选地，主体和套筒能够松开地能够连接。主体和套筒尤其能够与彼此旋紧。
这具有如下优点，即在需要时能够更换两个部件中的一个。因为套筒呈现为外部的结构部件，其在运行中经受较高的热的负荷，故所述套筒可能更频繁地被更换。因为套筒大多为成本较有利的部件，因此在运行中的成本进一步减小。此外能够通过能够松开的连接将套筒简单去除简单清洁以用于简单清洁冷却通道。
优选地，主体和套筒固定连接。主体和套筒尤其与彼此钎焊。
这具有如下优点，即能够实现加工头部的较紧凑的结构方式，因为例如能够放弃螺纹的布置。
优选地，主体具有第一运送通道和第二运送通道以用于将冷却介质输入至冷却通道并且从冷却通道导出冷却介质。
这具有如下优点，即为了形成冷却介质输入至冷却通道和导出不需要另外的结构部件。这实现加工头部的特别简单的和由此成本有利的结构。
优选地，加工头部由头部、套筒和可选地密封件、尤其例如以O状环的形式的仅仅一个密封件构成。尤其能够在加工头部处布置有小部件，但其就此而言不配属于加工头部。
这具有如下优点，即加工头部仅仅由非常少的结构部件构成并且由此是特别简单和成本有利的。
优选地，冷却通道构造为冷却蛇管或冷却螺旋管。这具有在冷却介质的优化的消耗的情况下能够实现高的冷却功率的优点。此外，在冷却蛇管或冷却螺旋管的情况下，引导冷却介质的区域能够基本上在没有锐角、锐边以及突出的或折回的（rückspringende）台阶的情况下来构造，从而能够避免相应的压力损失。由此，冷却功率进一步提高。
优选地，冷却通道布置在主体中或在套筒中。换言之，冷却通道仅仅布置在主体中或在套筒中；当冷却通道仅仅布置在主体中时，则套筒仅仅形成第二侧面壁；当冷却通道仅仅布置在套筒中时，则主体仅仅形成第一侧面壁。
冷却通道仅仅布置在主体中具有如下优点，即套筒能够以小的壁厚度来构造，以便实现紧凑的结构方式。
冷却通道仅仅布置在套筒中具有如下优点，即冷却还更有效地来设计，因为冷却通道布置成靠近加工头部的热的外侧面处。
优选地，冷却通道布置在主体中和在套筒中。这具有如下优点，即冷却通道能够构造有大的流动横截面以用于进一步提高冷却功率。
优选地，密封件布置在面向激光射束的排出侧的区域中以用于密封冷却通道。密封件尤其构造为密封环，所述密封环优选地能够置入到主体的凹槽中。
这具有如下优点，即能够保证在主体和套筒之间的良好的密封，从而使得冷却介质在运行中不会排出并且能够到达至待加工的结构部件上。
当然，能够在套筒和主体之间在背离激光射束的排出侧的侧面上布置另一密封件、优选地类似于上面的密封件。这具有如下优点，即冷却介质在运行中不会排出并且能够到达至待加工的结构部件上。
优选地，主体和套筒在至少一个区段中朝向排出侧逐渐收尾地来构造。主体和套筒在至少一个区段中朝向排出侧尤其锥状逐渐收尾地来构造。换言之，加工头部在至少一个区段中朝向排出侧尤其锥状逐渐收尾地来构造。
套筒和主体能够例如如下构造，使得套筒的和主体的与排出侧背离的区段构造成柱状；套筒的和主体的面向排出侧的区段能够锥状地逐渐收尾。在柱状的区段中能够布置有螺纹以用于将套筒能够松开地固定在主体处。主体和套筒在此构造有如下彼此匹配的形状，使得套筒能够根据本发明固定在主体处。
加工头部构造有尤其锥状逐渐收尾的区段具有如下优点，即加工头部朝向结构部件具有较小的横截面并且因此能够较简单地操纵。
优选地，冷却通道至少部分地并且优选地完全布置在逐渐收尾的区段中。这具有如下优点，即面向排出侧的区段有效地得到冷却，所述区段在运行中大多最强烈地被加热。
优选地，冷却通道的至少一个区段平行于垂直于纵轴线A的平面来布置。这具有如下优点，即冷却通道的区段围绕主体基本上在一个轴向的位置处引导，由此能够实现带有有效的冷却的长的冷却通道。
优选地，冷却通道的至少一个第一区段和第二区段平行于纵轴线A地与彼此间隔开。这具有如下优点，即能够平行于纵轴线地实现加工头部的有效的冷却，因为冷却通道沿着加工头部来布置。
优选地，冷却通道具有第一运送开口和第二运送开口以用于输入和/或导出却介质。第一运送开口和第二运送开口平行于纵轴线A地与彼此间隔开。冷却介质例如能够通过第一运送开口运送到冷却通道中并且通过第二运送开口从冷却通道中运送出来。当然，冷却介质的运送也能够以相反的方向来进行。
这具有如下优点，即在冷却介质从加工头部中运送出来之前，所述冷却介质仅仅一次地用于冷却加工头部。当然，用于冷却介质的循环运行也是可行的，其中冷却介质在从冷却通道中运送出来之后主动地和/或被动地冷却并且接下来又运送到冷却通道中，这有利地实现冷却介质的消耗的减少。
可能有利的是，冷却介质输入到布置成更靠近于排出侧的运送开口中，因为排出侧通常是最热的。因为冷却介质在运送期间通过冷却通道来加热，因此在冷却介质运送通过冷却通道开始时实现更有效的冷却，这对于冷却热的、面向排出侧的区域是有利的。
优选地，第一运送开口与第一运送通道处于流动连接并且第二运送开口与第二运送通道处于流动连接。第一运送通道和/或第二运送通道至少在一区段中基本上以相对于纵轴线与粉末输入通道相同的倾斜角度来布置。
这具有如下优点，即加工头部能够紧凑地设计。
优选地，冷却通道布置在激光通过通道的和尤其至少一个粉末输入通道的背离纵轴线A的侧面上。换言之，冷却通道处于外部地布置在加工头部中并且围绕激光通过通道以及尤其围绕所述少一个粉末供给通道来引导。
这具有如下优点，即加工头部的外部的区域的冷却能够得到保证，所述区域大多经受最高的热的负荷。
优选地，套筒和尤其主体基本上由带有大于300W/（m×K）的热传导能力的材料制成。优选地，所述材料具有大于340W/（m×K）的并且特别优选地大于380W/（m×K）的热传导能力。所述材料例如能够为铜或也能够为铜合金。
这具有如下优点，即除了借助于冷却介质进行冷却之外还能够将热量通过材料挑选来良好地导出、例如通过热量的传导导出至冷却介质。
本发明的另一方面涉及用于借助于激光射束进行表面加工的加工设备。加工设备包括如上面描述的那样的加工头部。
附图说明
本发明的另外的特征和优点在下面按照实施例更详细地阐释以用于更好的理解，而本发明不应当受限于实施例。其中：
图1以侧视图示出根据本发明的加工头部的示意性的图示；
图2示出根据图1的带有套筒的加工头部的前视图；
图3示出根据图2的没有套筒的加工头部的前视图；
图4示出带有根据图1的加工头部的加工设备的截取部分的示意性的图示。
具体实施方式
在图1中以示意性的图示以侧视图示出根据本发明的加工头部1。加工头部1构造成两件式并且包括主体5以及能够松开地固定在主体5处的套筒6。当然，套筒6也能够固定地与主体5连接、例如通过钎焊。
加工头部1具有排出侧10，其中布置有用于激光射束的排出开口18。此外，在排出侧10上布置有粉末通道3的排放开口20以用于将粉末运送至待加工的结构部件；排放开口和粉末通道3成虚线地仅仅为了图解来示出，因为粉末通道基于围绕纵轴线A的旋转与例如第一运送通道13处于不同的剖面平面中。
加工头部1在一区段中朝向排出侧10锥状逐渐收尾地构造。
主体5在背离排出侧10的侧面上具有在此没有示出的螺纹，套筒6借助于所述螺纹能够与主体5旋紧；为此，套筒6在内侧具有在此没有示出的互补的螺纹。
在主体的锥状逐渐收尾的区段中布置有构造为冷却蛇管的冷却通道4；所述冷却通道4能够例如利用铣刀铣削到主体5中。备选于构造为冷却蛇管，冷却通道4当然也能够构造为冷却螺旋管。
冷却通道4的第一区段22平行于垂直于纵轴线A的平面布置。此外，冷却通道4的第一区段22和第二区段23平行于纵轴线地与彼此间隔开。
冷却通道4具有第一运送开口11和第二运送开口12以用于输入和/或导出冷却介质。
主体5具有凹槽19以用于容纳用于形成密封件9的密封环。为了形成另一密封，能够在需要时设置有另一凹槽以用于容纳在布置在背离排出侧10的侧面上的螺纹的区域中的另一密封环。
加工头部1具有带有纵轴线A的激光通过通道2。在运行中，激光在背离排出侧10的侧面上引导到激光通过通道2中，接着激光射束沿着纵轴线A传播并且通过排出开口18离开加工头部1。
冷却通道4具有第一侧面壁7，所述第一侧面壁由主体5形成。第二侧面壁8由套筒6形成。冷却介质能够因此沿着冷却通道4基本上平行于侧面壁7和8地进行运送。
主体5具有第一运送开口11和第二运送开口12以用于输入和/或导出冷却介质。第一运送开口11与第一运送通道13流动连接。第二运送开口12与第二运送通道14流动连接。借助于运送通道能够将冷却介质运送至冷却通道4。
第一运送开口11和第二运送开口12平行于纵轴线A地与彼此间隔开。
冷却通道4布置在激光通过通道2的和粉末输入通道3的背离纵轴线A的侧面上。
带有排放开口20的粉末输入通道3（成虚线地示出）相对于纵轴线A如下来倾斜，使得粉末射束以与排出开口18约12mm的间距D与纵轴线A相交。在此没有示出的激光此时如下来聚焦，使得熔斑以间距D能够借助于激光在结构部件上产生。
粉末输入通道3、第一运送通道13和第二运送通道14在一区段中基本上以相对于纵轴线A相同的倾斜角度B来布置。
在图2和3中示出根据图1的加工头部1的前视图。图2示出带有套筒6的加工头部1。图3示出没有套筒的加工头部1，因此可见冷却通道4。
在所有的图中相同的附图标记意味着相同的特征并且仅仅在需要时重新解释。
在图4中以示意性的图示示出带有根据图1的加工头部1的加工设备15的截取部分。
加工设备15包括用于加工头部1的容纳套筒17。激光射束16引导通过容纳套筒17并且接下来通过加工头部1。
激光射束16通过排出开口18从加工设备15中排出并且在此如下来聚焦，使得熔点以间距D能够在在此没有示出的结构部件上产生，此后粉末如上面描述的那样运送到所述结构部件上。
在运行中，加工设备15利用在此没有示出的定位设备引导到结构部件之上，由此形成所谓的烧焊焊道。
Claims (14)
1.加工头部（1），用于借助于激光射束进行表面加工，其中，所述加工头部（1）包括带有纵轴线（A）的激光通过通道（2）、至少一个粉末输入通道（3）和用于冷却所述加工头部（1）的冷却通道（4）并且所述加工头部（1）构造成至少两件式并且包括主体（5）和用于布置在所述主体（5）处的套筒（6），
其特征在于，
所述激光通过通道（2）和所述粉末输入通道（3）构造在所述主体（5）中并且
所述主体（5）至少部分地形成所述冷却通道（4）的第一侧面壁（7）并且其中，所述套筒（6）至少部分地形成所述冷却通道（4）的第二侧面壁（8）。
2.根据权利要求1所述的加工头部（1），
其特征在于，
所述主体（5）具有第一运送通道（13）和第二运送通道（14）以用于将冷却介质输入至所述冷却通道（4）以及从所述冷却通道（4）中排出。
3.根据权利要求1或2所述的加工头部（1），
其特征在于，
所述加工头部（1）由所述头部（5）、所述套筒（6）和可选地密封件（9）构成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的加工头部（1），
其特征在于，
所述冷却通道（4）构造为冷却蛇管或冷却螺旋管。
5.根据前述权利要求中任一项所述的加工头部（1），
其特征在于，
所述冷却通道（4）布置在所述主体（5）中或在所述套筒（6）中。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的加工头部（1），
其特征在于，
所述冷却通道（4）布置在所述主体（5）中和在所述套筒（6）中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的加工头部（1），
其特征在于，
在面向所述激光射束的排出侧（10）的区域中布置有密封件（9）、尤其密封环以用于密封所述冷却通道（4）。
8.根据前述权利要求中任一项所述的加工头部（1），
其特征在于，
所述主体（5）和所述套筒（6）朝向所述排出侧（10）在至少一个区段中尤其锥状逐渐收尾地构造。
9.根据前述权利要求中任一项所述的加工头部（1），
其特征在于，
所述冷却通道（4）至少部分地、优选地完全地布置在逐渐收尾的区段中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的加工头部（1），
其特征在于，
所述冷却通道（4）具有第一运送开口（11）和第二运送开口（12）以用于输入和/或导出冷却介质，其中，所述第一运送开口（11）和所述第二运送开口（12）平行于所述纵轴线（A）地与彼此间隔开。
11.根据权利要求2和10所述的加工头部（1），
其特征在于，
所述第一运送开口（11）与所述第一运送通道（13）处于流动连接并且所述第二运送开口（12）与所述第二运送通道（14）处于流动连接，并且其中，所述第一运送通道（13）和/或所述第二运送通道（14）至少在一区段中基本上以相对于所述纵轴线（A）与所述粉末输入通道（3）相同的倾斜角度（B）来布置。
12.根据前述权利要求中任一项所述的加工头部（1），
其特征在于，
所述冷却通道（4）布置在所述激光通过通道（2）的和尤其所述至少一个粉末输入通道（3）的背离所述纵轴线（A）的侧面上。
13.根据前述权利要求中任一项所述的加工头部（1），
其特征在于，
所述套筒（6）和尤其所述主体（5）基本上由带有大于300W/（m×K）的、优选地大于340W/（m×K）的并且特别优选地大于380W/（m×K）的热传导能力的材料制成。
14.加工设备（15），用于借助于激光射束进行表面加工，所述加工设备包括根据前述权利要求中任一项所述的加工头部（1）。
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